JP3772395B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接方法に係り、特に溶接ラインに沿った方向のレーザ出力のパワー分布を適当に変化させることによってレーザ溶接箇所の凝固割れ防止を図ったレーザ溶接方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ溶接は、レーザビームを金属板等の被溶接箇所に対し照射して溶接するものであり、溶接幅の狭い精密な溶接が可能であることから、従来よりその開発が進められている。
また、レーザビームは微小スポットを形成し、その照射ポイントは、例えば溶融幅が0.1〜0.2〔mm〕、溶け込み深さも0.0〜1.0〔mm〕等となってアスペクト比が大きい。
【0003】
一方、レーザ溶接は、上述したように溶融幅が小さいことから、精密溶接には適している反面、レーザビームの照射直後の溶接箇所の熱放散が速い(急冷状態)。このため、レーザ溶接では、溶接箇所の凝固割れもしくは内部ひずみが生じ、耐久性が悪いという不都合が生じる。
【0004】
かかる不都合を改善するため、近時にあっては、図8(A)に示す従来のノーマル波とは異なり、パルス波の波形制御によって立ち上がりが急で立ち下がりを緩やかに設定したパルス波(図8(B)参照)が使用されている。
これにより、溶接箇所の熱放散の速度が幾分緩和され、従来生じていた凝固割れの発生が有効に抑制されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例におけるパルス波の波形制御は、時間軸に沿ったレーザ波の波形制御であり、スポット溶接においては凝固割れもなく好適なものとなっている。
しかしながら、この手法を用いて連続した箇所に適用すると、スポット溶接を隣接して順次繰り返すこととなり、その都度、レーザ照射をオン(ON)/オフ(OFF)しなければならないため作業能率が著しく悪い。
【0006】
【発明の目的】
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、特に連続移動溶接時に被溶接箇所に生じる凝固割れを有効に排除すると共に、これによって溶接強度の向上を図り且つレーザ溶接の信頼性向上を図ったレーザ溶接方法を提供することを、その目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明では、被溶接箇所に沿って溶接用レーザビームを相対的に移動させて成るレーザ溶接方法において、前述した溶接用レーザビームとして、出力の異なる複数の溶接用レーザビームを使用する。そして、出力の高い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向上流側に,又出力の低い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向下流側にそれぞれ各ビームが被溶接部材上において一部重なるようにして配設する、という構成を採っている。
【0008】
このため、この請求項1記載の発明では、例えば図1において、被溶接部材100上の被溶接箇所には、レーザ溶接の開始と同時に合成パワー分布P01の立ち上がりの大きい部分(図5の左側)が、まず印加され、続いて最大値に達した後、パワー出力が徐々に抑制された状態のレーザパワーが印加され、これによって、溶接済の箇所が(室温で急冷されることなく)低いパワー出力部分で連続的に徐冷工程に付される。被溶接箇所が連続している場合、この状態が継続する。
【0009】
従って、この図3の合成パワー分布P01に基づいたレーザ溶接にあっては、被溶接箇所が有効に徐冷され、その結果、従来例で度々生じていた被溶接箇所部分の凝固割れの発生を有効に阻止するができる。
【0010】
請求項2記載の発明では、前述した複数の溶接用レーザビームを、一のレーザ出力源から光学系をもって分岐してなる分岐レーザ光とする、という構成を採っている。
【0011】
このため、この請求項2記載の発明でも、前述した請求項1記載の発明と同等に機能するほか、レーザ出力部を一つとすることができるため装置を安価に得ることができ、同時にその小型軽量化が可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って順次説明する。
【0013】
図1において、符号1,2は、それぞれ一方と他方の溶接用レーザ出力部を示す。又、記号Aは一方のレーザ出力部1から出力される第1の溶接用レーザビームを示し、記号Bは他方のレーザ出力部2から出力される第2の溶接用レーザビームを示す。符号100は被溶接部材を示す。この被溶接部材100は、図示しない移送手段によって図1の矢印e方向に移送されるように構成されている。
【0014】
溶接用レーザ出力部1,2は所定位置に固定して装備されている。この溶接用レーザ出力部1,2の出力ビームは、移動中の被溶接部材100上の被溶接箇所に集光レンズ1A,2Aを介して照射される。この場合、被溶接部材100を固定して溶接用レーザ出力部1,2側を移動させるようにしてもよい。
【0015】
又、符号4は集光ビーム用光学系を示す。この集光ビーム用光学系4は、前述した溶接用レーザ出力部1,2と被溶接部材100との間に配設され、ビーム集光ケース5内に装備されている。このビーム集光ケース5は、溶接用レーザ出力部1,2から出力されるレーザビームに向けて開口された第1の開口部5aと、集光された溶接用レーザビームを被溶接部材100に送り出す第2の開口部5bとを備えている。
【0016】
ビーム集光ケース5内には、レーザ出力部1から出力される第1の溶接用レーザビームAを集光する一方の集光レンズ1Aと、レーザ出力部2から出力される第2の溶接用レーザビームBを集光する他方の集光レンズ2Aとを備えている。また、この他方の集光レンズ2Aの前述した第1の開口部5a側には、第1乃至第2のレーザ反射鏡2E,2Fが装備されている。
【0017】
そして、レーザ出力部2から出力された第2の溶接用レーザビームBは、第1の反射ミラー2E,第2の反射ミラー2F,及び集光レンズ2Aを介して幾分外側(図1の右側)にずらした位置から被溶接部材100上の被溶接箇所に照射される。
【0018】
ここで、図2(A)に、被溶接部材100上の被溶接箇所に照射される第1の溶接用レーザビームAのパワー分布P1 を示し、図2(B)に被溶接部材100上の被溶接箇所に照射される第2の溶接用レーザビームBのパワー分布P2 を示す。この第2の溶接用レーザビームBは、被溶接箇所においては、前述した第1の溶接用レーザビームAよりそのパワー分布が図2(B)に示すように全体的に小さく設定されている。
【0019】
前述したビーム集光ケース5内には、一方と他方の各集光レンズ1A,2Aの各焦点位置を光軸に沿った方向に移送して調整する焦点位置調整機構1B,2Bが装備されている。そして、この一方と他方の各集光レンズ1A,2Aは、焦点位置調整機構1B,2Bによって、その焦点位置を光軸に沿った方向(図1のa方向,b方向)に調整し得るようになっている。
【0020】
この内、他方の集光レンズ2Aに併設された焦点位置調整機構2Bは、更に、当該他方の集光レンズ2Aの照射ポイントを、前述した被溶接部材100上の被溶接箇所に沿った方向の下流側(図1の矢印e方向)に可変距離0〜S2 の範囲で任意にずらして固定し得る機能を備えている。
【0021】
図3に、被溶接箇所に対する他方の集光レンズ2Aの照射ポイントを前述した被溶接箇所に沿った方向の下流側に距離S1 (但し、S1 <S2 )だけずらした場合を示す。即ち、この図3では、一方の集光レンズ1Aの照射ポイントから距離S1 だけずらされて図2(A)におけるy−z座標軸上に図2(B)に示す溶接用レーザビームBが照射され、これにより、被溶接部材100上の被溶接箇所には、図3に示す合成パワー分布(照射レーザの合成パターン)P01が形成されるようになっている。
【0022】
ここで、他方の集光レンズ2Aに併設された焦点位置調整機構2Bが備えている溶接用レーザビームBの照射ポイントの可変範囲0〜S2 と合成パワー分布との関係を、好ましい場合の図4(B)と,その両端部の可変範囲0および可変範囲S2 の場合(図4(A)(C)の場合)について説明する。
【0023】
図4(A)は、第1および第2の溶接用レーザビームA,Bを同一ポイントに重ねて照射する場合(即ち、照射ポイントの中心点のずれ「0」の場合)を示す。記号P00は、この図4(A)の場合の合成パワー分布(照射レーザの合成パターン)を示す。また、図4(B)は、前述した図3の場合である。
【0024】
更に、図4(C)は、溶接用レーザビームBの照射ポイントのずれ範囲を最大値S2 に設定し照射する場合を示す。記号P02は、この図4(C)の場合の合成パワー分布(照射レーザの合成パターン)を示す。
【0025】
即ち、この図4(C)に示す合成パワー分布P02は、この第2の溶接用レーザビームBを第1の溶接用レーザビームAから距離S2 だけ,ずらした場合に得られる合成パワー分布である。これら図4(A),図4(B),図4(C)のいずれも、被溶接部材100の相対的移動方向に沿ったy−z座標軸について開示したものである。
【0026】
この内、図4(A)に示す合成パワー分布(照射レーザの合成パターン)P00は、レーザビームA,Bが一箇所に重ねられているため、一方のレーザビームのみを使用してその強度を高めたのと同等となり徐冷工程を設定することができない。また、図4(C)に示す合成パワー分布(照射レーザの合成パターン)P02の場合は、徐冷予定箇所(レーザビームの移動方向下流側に立ち下がり部)で再び加熱する事態が生じることから、このパターンも、本実施形態には不適当なものとなっている。
このため、溶接後の徐冷工程に際して都合よく機能する図4(B)の場合が、この三つの例では最適なものとなっている。
【0027】
ここで、前述した合成パワー分布P01と溶接箇所側で受けるレーザパワーとの関係を図5に基づいて説明する。
この図5(A)に示す合成パワー分布P01は、図4(B)又は図3において既に開示した合成パワー分布P01と同一のもので、y−z座標軸について取り出したものである。また、図5(B)はパルス波形制御によって上述した図5(A)に似せて形成されたレーザビームの出力波形を示す。
【0028】
この図5(A)において、横軸のy軸上に図の左方から右方に時間tで移動する点Hを想定する。この点Hが移動中に合成パワー分布P01により照射されるレーザパワーは、定点(スポット溶接の位置)が図5(B)のパルス波形制御によって受けるレーザパワーと同一となる。
【0029】
即ち、この図5(A)の合成パワー分布P01のものを使用すると、合成パワー分布P01と被溶接箇所との相対的な移動に際して、その移動箇所全体にわたって順次連続して、図5(A)に示す合成パワー分布P01の溶接用レーザビームを受けることができる。
【0030】
即ち、図1において、被溶接部材100上の被溶接箇所には、レーザ溶接の開始と同時に合成パワー分布P01の立ち上がりの大きい部分(図5の左側)が、まず印加され、続いて最大値に達した後、パワー出力が徐々に抑制された状態のレーザパワーが印加され、これによって、溶接済の箇所が(室温で急冷されることなく)低いパワー出力部分で連続的に徐冷工程に付されることとなる。被溶接箇所が連続している限りこの状態が継続する。
【0031】
従って、この図3の合成パワー分布P01に基づいたレーザ溶接にあっては、被溶接箇所が有効に徐冷され、その結果、従来例で度々生じていた被溶接箇所部分の凝固割れの発生を有効に阻止するができ、これにより溶接強度の向上を図ることができ、且つレーザ溶接の作業能率の向上および信頼性向上を図ることができる。
【0032】
ここで、上記実施形態にあっては、レベルの異なる二つの連続照射に係るレーザビームを合成した場合を例示したが、これとは別に、図1において第1の溶接用レーザビームAをYAGレーザ・Qスイッチパルスとし、第2の溶接用レーザビームBをCO2 レーザ(炭酸ガスレーザ)とし、これら二つの異種のレーザビームを合成したものであってもよい。
【0033】
また、三つ以上のレーザビームを組み合わせてより溶接に適したパワー分布のレーザビームを形成し使用してもよい。また、複数のレーザビームを組み合わせて所定のレーザパワー分布を得るのに、いずれかのレーザビームを照射面に対して傾けてもよい。
【0034】
〔実験例〕
次に、図3で開示した合成パワー分布(照射レーザの合成パターン)P01によって成されるレーザ溶接の良否(特に表面に生じるビード面)を、合成パワー分布P00,P02の場合と比較して説明する。
【0035】
図6に、上述した図4(A)(B)(C)に示す各レーザビームA,Bの合成パワー分布P00,P01又はP02によって形成される実際の溶接ビード(写真撮影したもの)を示す。ここで、第1の溶接用レーザビームA(出力パワーP1 )としてはYAGレーザ・Qスイッチパルスを使用し、又第2の溶接用レーザビームB(出力パワーP2 )としてはCO2 レーザ(炭酸ガスレーザ)をそれぞれ使用した。
【0036】
この図6に示す結果から明らかのように、図6▲1▼,図6▲3▼の場合についてもレーザ溶接は可能であるが、溶接の良否判定に際して重要視される溶接ビードの形状は、明らかに本実施形態で採用した図6▲2▼のもの(即ち、図3の合成パワー分布P01に依存した場合)が、実際上最も良好な結果を得ることができた。即ち、この図6▲2▼には、溶接ビードが繰り返し順序よく形成されており、また、その溶接面の切断観察に際しても凝固割れの形跡は全く見られなかった。
【0037】
〔変形例〕
次に、図1に示す実施形態の変形例を図7に示す。
この図7に示す変形例は、二つのレーザービームA,Bを単一のレーザ出力部11と、ハーフミラー12と反射ミラー13によって構成した点に特徴を備えている。
【0038】
即ち、レーザ出力部11から出力されるレーザービームAに光軸上にハーフミラー12が配置され、このハーフミラー12からの反射ビームをレーザビームBとして、これが反射ミラー13によって被溶接箇所に照射されるように構成されている。この場合、レーザービームAに対するレーザビームBの合成方法は、前述した実施形態(図1〜図3)の場合と同一となっている。
【0039】
このようにしても、前述した実施形態(図1〜図3)の場合とほぼ同等の作用効果を得ることができるほか、単一のレーザ出力部11で良好なレーザ溶接を実行し得ることから、溶接装置を安価に得ることができる。
【0040】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、溶接用レーザビームとして出力の異なる複数の溶接用レーザビームを使用すると共に、出力の高い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向上流側に,又出力の低い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向下流側に,それぞれ各ビームが被溶接部材上において一部重なるようにして配設したので、これによると、当該空間合成された溶接用レーザビームを被溶接部材上に相対的に移動することにより、被溶接部材上の被溶接箇所には、レーザ溶接の開始と同時に合成パワー分布の立ち上がりの大きい部分が、続いてレーザビームの移動と共に最大値が、更にパワー出力が徐々に抑制された状態のレーザパワーが順次連続して印加され、これによって、レーザビームの移動と共に溶接終了側が(室温で急冷されることなく)低いパワー出力部分で連続的に徐冷工程に付される。これにより、溶接箇所完了後に生じる凝固割れを有効に排除することができ、同時に、これによって溶接強度の向上を図り且つレーザ溶接の信頼性および作業性向上を図ることができるという従来にない優れたレーザ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるレーザ溶接方法の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図2】図1に開示した一方と他方の溶接用レーザ出力部から出力される溶接用レーザビームのレーザパワーを示す図で、図2(A)は第1の溶接用レーザビームのレーザパワーを示す線図、図2(B)は第2の溶接用レーザビームのレーザパワーを示す線図である。
【図3】図2に開示した二つの溶接用レーザビームをその焦点位置を所定距離ずらして同時照射した場合に生じる合成パワー分布を示す線図である。
【図4】図2に開示した二つの溶接用レーザビームを重合した場合および焦点位置を所定距離ずらして同時照射した場合に生じる合成パワー分布を示す線図で、図4(A)は二つの溶接用レーザビームを重合した場合を示す線図、図4(B)は二つの溶接用レーザビームの焦点位置を所定距離ずらして同時照射した場合(図3と同じ)を示す線図、また、図4(C)は二つの溶接用レーザビームの焦点位置を更に大きくずらして同時照射した場合を示す線図である。
【図5】図3に開示した二つの溶接用レーザビームの合成パワー分布とパルス波形制御によって形成されたレーザビームの出力波形との比較を示す図で、図5(A)は図3に開示した二つの溶接用レーザビームの合成パワー分布を示し、図5(B)はパルス波形制御によって図5(A)に合わせて形成された場合のレーザビームの出力波形を示す。
【図6】図4(A)〜(C)に開示した二つの溶接用レーザビームの合成パワー分布によってレーザ溶接した場合の溶接面のビードを示す図表である。
【図7】図1の変形例を示す説明図である。
【図8】従来例よりレーザ溶接に使用されているパルス波を示す図で、図8(A)はノーマルパルス波を示す線図、図8(B)はパルス波の波形制御によって立ち下がりを緩やかに設定したパルス波を示す線図である。
【符号の説明】
1,2 溶接用レーザ出力部
1A 一方の集光レンズ
1B,2B 焦点位置調整機構
2A 他方の集光レンズ
100 被溶接部材
A 第1の溶接用レーザビーム
B 第2の溶接用レーザビーム
Claims (2)
- 被溶接箇所に沿って溶接用レーザビームを相対的に移動させて成るレーザ溶接方法において、
前記溶接用レーザビームとして出力の異なる複数の溶接用レーザビームを使用し、出力の高い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向上流側に、又出力の低い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向下流側に、それぞれ各ビームが被溶接部材上において一部重なるようにして配設し、
一方の集光レンズで出力の高い溶接用レーザビームを集光すると共に他方の集光レンズで出力の低い溶接用レーザビームを集光し、他方の集光レンズに併設された焦点位置調整機構により当該他方の集光レンズの照射ポイントを被溶接部材の移送方向にずらして固定し得ることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項1に記載のレーザ溶接方法において、
前記複数の溶接用レーザビームを、一のレーザ出力源から光学系をもって分岐してなる分岐レーザ光としたことを特徴とするレーザ溶接方法。
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